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《Java虛擬機器原理圖解》5. JVM類載入器機制與類載入過程

阿新 • • 發佈：2019-01-07

0、前言

讀完本文，你將瞭解到：

一、為什麼說Jabalpur語言是跨平臺的

二、Java虛擬機器啟動、載入類過程分析

三、類載入器有哪些？其組織結構是怎樣的？

四、雙親載入模型的邏輯和底層程式碼實現是怎樣的？

五、類載入器與Class<T>  例項的關係

六、執行緒上下文載入器

一、為什麼說Java語言是跨平臺的？

Java語言之所以說它是跨平臺的、可以在當前絕大部分的作業系統平臺下執行，是因為Java語言的執行環境是在Java虛擬機器中。
Java虛擬機器消除了各個平臺之間的差異，只要作業系統平臺下安裝了Java虛擬機器，那麼使用Java開發的東西都能在其上面執行。如下圖所示：

這裡寫圖片描述

         Java虛擬機器對各個平臺而言，實質上是各個平臺上的一個可執行程式。例如在windows平臺下，java虛擬機器對於windows而言，就是一個java.exe程序而已。

二、Java虛擬機器啟動、載入類過程分析

下面我將定義一個非常簡單的java程式並執行它，來逐步分析java虛擬機器啟動的過程。

package org.luanlouis.jvm.load;
import sun.security.pkcs11.P11Util;

/**
 * Created by louis on 2016/1/16.
 */
public class Main{

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello,World!");

        ClassLoader loader = P11Util.class.getClassLoader();

        System.out.println(loader);
    }
}

在windows命令列下輸入：
java    org.luanlouis.jvm.load.Main
當輸入上述的命令時：
windows開始執行{JRE_HOME}/bin/java.exe程式，java.exe 程式將完成以下步驟：
1.  根據JVM記憶體配置要求，為JVM申請特定大小的記憶體空間；

2.  建立一個引導類載入器例項，初步載入系統類到記憶體方法區區域中；

3.   建立JVM 啟動器例項 Launcher,並取得類載入器ClassLoader；

4.  使用上述獲取的ClassLoader例項載入我們定義的 org.luanlouis.jvm.load.Main類；

5.  載入完成時候JVM會執行Main類的main方法入口，執行Main類的main方法；

6.  結束，java程式執行結束，JVM銷燬。

Step 1.根據JVM記憶體配置要求，為JVM申請特定大小的記憶體空間


為了不降低本文的理解難度，這裡就不詳細介紹JVM記憶體配置要求的話題，今概括地介紹一下記憶體的功能劃分。

JVM啟動時，按功能劃分，其記憶體應該由以下幾部分組成：
這裡寫圖片描述
如上圖所示，JVM記憶體按照功能上的劃分，可以粗略地劃分為方法區(Method Area) 和堆(Heap),而所有的類的定義資訊都會被載入到方法區中。

Step 2. 建立一個引導類載入器例項，初步載入系統類到記憶體方法區區域中；

JVM申請好記憶體空間後，JVM會建立一個引導類載入器（Bootstrap Classloader）例項，引導類載入器是使用C++語言實現的，負責載入JVM虛擬機器執行時所需的基本系統級別的類，如java.lang.String, java.lang.Object等等。

引導類載入器(Bootstrap Classloader)會讀取 {JRE_HOME}/lib 下的jar包和配置，然後將這些系統類載入到方法區內。

本例中，引導類載入器是用 {JRE_HOME}/lib載入類的，不過，你也可以使用引數 -Xbootclasspath 或 系統變數sun.boot.class.path來指定的目錄來載入類。

一般而言，{JRE_HOME}/lib下存放著JVM正常工作所需要的系統類，如下表所示：

檔名 描述
rt.jar 執行環境包，rt即runtime，J2SE 的類定義都在這個包內
charsets.jar 字符集支援包
jce.jar 是一組包，它們提供用於加密、金鑰生成和協商以及 Message Authentication Code（MAC）演算法的框架和實現
jsse.jar 安全套接字拓展包Java(TM) Secure Socket Extension
classlist 該檔案內表示是引導類載入器應該載入的類的清單
net.properties JVM 網路配置資訊

引導類載入器(Bootstrap ClassLoader） 載入系統類後，JVM記憶體會呈現如下格局：
這裡寫圖片描述

  • 引導類載入器將類資訊載入到方法區中，以特定方式組織，對於某一個特定的類而言，在方法區中它應該有 執行時常量池、型別資訊、欄位資訊、方法資訊、類載入器的引用，對應class例項的引用等資訊。
  • 類載入器的引用,由於這些類是由引導類載入器(Bootstrap Classloader)進行載入的，而 引導類載入器是有C++語言實現的，所以是無法訪問的，故而該引用為NULL
  • 對應class例項的引用， 類載入器在載入類資訊放到方法區中後，會建立一個對應的Class 型別的例項放到堆(Heap)中, 作為開發人員訪問方法區中類定義的入口和切入點。
小測試：
當我們在程式碼中嘗試獲取系統類如java.lang.Object的類載入器時，你會始終得到NULL：
        System.out.println(String.class.getClassLoader());//null
        System.out.println(Object.class.getClassLoader());//null
        System.out.println(Math.class.getClassLoader());//null
        System.out.println(System.class.getClassLoader());//null


Step 3. 建立JVM 啟動器例項 Launcher,並取得類載入器ClassLoader

上述步驟完成，JVM基本執行環境就準備就緒了。接著，我們要讓JVM工作起來了：執行我們定義的程式 org.luanlouis,jvm.load.Main。

此時，JVM虛擬機器呼叫已經載入在方法區的類sun.misc.Launcher 的靜態方法getLauncher(),  獲取sun.misc.Launcher 例項：

sun.misc.Launcher launcher = sun.misc.Launcher.getLauncher(); //獲取Java啟動器
ClassLoader classLoader = launcher.getClassLoader();          //獲取類載入器ClassLoader用來載入class到記憶體來

sun.misc.Launcher 使用了單例模式設計，保證一個JVM虛擬機器內只有一個sun.misc.Launcher例項。
在Launcher的內部，其定義了兩個類載入器(ClassLoader),分別是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader和sun.misc.Launcher.AppClassLoader，這兩個類載入器分別被稱為拓展類載入器(Extension ClassLoader) 和 應用類載入器(Application ClassLoader).如下圖所示：

圖例註釋：除了引導類載入器(Bootstrap Class Loader )的所有類載入器，都有一個能力，就是判斷某一個類是否被引導類載入器載入過，如果載入過，可以直接返回對應的Class<T> instance，如果沒有，則返回null.  圖上的指向引導類載入器的虛線表示類載入器的這個有限的訪問 引導類載入器的功能。

      此時的  launcher.getClassLoader() 方法將會返回 AppClassLoader 例項，AppClassLoader將ExtClassLoader作為自己的父載入器。

當AppClassLoader載入類時，會首先嚐試讓父載入器ExtClassLoader進行載入，如果父載入器ExtClassLoader載入成功，則AppClassLoader直接返回父載入器ExtClassLoader載入的結果；如果父載入器ExtClassLoader載入失敗，AppClassLoader則會判斷該類是否是引導的系統類(即是否是通過Bootstrap類載入器載入，這會呼叫Native方法進行查詢)；若要載入的類不是系統引導類，那麼ClassLoader將會嘗試自己載入，載入失敗將會丟擲“ClassNotFoundException”。

具體AppClassLoader的工作流程如下所示：


雙親委派模型(parent-delegation model)：
上面討論的應用類載入器AppClassLoader的載入類的模式就是我們常說的雙親委派模型(parent-delegation model).
對於某個特定的類載入器而言，應該為其指定一個父類載入器，當用其進行載入類的時候：
1. 委託父類載入器幫忙載入；
2. 父類載入器載入不了，則查詢引導類載入器有沒有載入過該類；
3. 如果引導類載入器沒有載入過該類，則當前的類載入器應該自己載入該類；
4. 若載入成功，返回 對應的Class<T> 物件；若失敗，丟擲異常“ClassNotFoundException”。
請注意：
雙親委派模型中的"雙親"並不是指它有兩個父類載入器的意思，一個類載入器只應該有一個父載入器。上面的步驟中，有兩個角色：
1. 父類載入器(parent classloader)：它可以替子載入器嘗試載入類
2. 引導類載入器（bootstrap classloader）: 子類載入器只能判斷某個類是否被引導類載入器載入過，而不能委託它載入某個類；換句話說，就是子類載入器不能接觸到引導類載入器，引導類載入器對其他類載入器而言是透明的。
一般情況下，雙親載入模型如下所示：



Step 4. 使用類載入器ClassLoader載入Main類

通過 launcher.getClassLoader()方法返回AppClassLoader例項，接著就是AppClassLoader載入 org.luanlouis.jvm.load.Main類的時候了。

ClassLoader classloader = launcher.getClassLoader();//取得AppClassLoader類
classLoader.loadClass("org.luanlouis.jvm.load.Main");//載入自定義類

上述定義的org.luanlouis.jvm.load.Main類被編譯成org.luanlouis.jvm.load.Main class二進位制檔案，這個class檔案中有一個叫常量池(Constant Pool)的結構體來儲存該class的常亮資訊。常量池中有CONSTANT_CLASS_INFO型別的常量，表示該class中聲明瞭要用到那些類：


當AppClassLoader要載入 org.luanlouis.jvm.load.Main類時，會去檢視該類的定義，發現它內部宣告使用了其它的類： sun.security.pkcs11.P11Util、java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java.lang.Class；org.luanlouis.jvm.load.Main類要想正常工作，首先要能夠保證這些其內部宣告的類載入成功。所以AppClassLoader要先將這些類載入到記憶體中。（注：為了理解方便，這裡沒有考慮懶載入的情況，事實上的JVM載入類過程比這複雜的多）

載入順序：

1. 載入java.lang.Object、java.lang.System、java.io.PrintStream、java,lang.Class

     AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現不是其載入範圍，其返回null；AppClassLoader發現父類載入器ExtClassLoader無法載入，則會查詢這些類是否已經被BootstrapClassLoader載入過，結果表明這些類已經被BootstrapClassLoader載入過，則無需重複載入，直接返回對應的Class<T>例項；

2. 載入sun.security.pkcs11.P11Util

    此在{JRE_HOME}/lib/ext/sunpkcs11.jar包內，屬於ExtClassLoader負責載入的範疇。AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現其正好屬於載入範圍，故ExtClassLoader負責將其載入到記憶體中。ExtClassLoader在載入sun.security.pkcs11.P11Util時也分析這個類內都使用了哪些類，並將這些類先載入記憶體後，才開始載入sun.security.pkcs11.P11Util，載入成功後直接返回對應的Class<sun.security.pkcs11.P11Util>例項；

3. 載入org.luanlouis.jvm.load.Main

  AppClassLoader嘗試載入這些類的時候，會先委託ExtClassLoader進行載入；而ExtClassLoader發現不是其載入範圍，其返回null；AppClassLoader發現父類載入器ExtClassLoader無法載入，則會查詢這些類是否已經被BootstrapClassLoader載入過。而結果表明BootstrapClassLoader 沒有載入過它，這時候AppClassLoader只能自己動手負責將其載入到記憶體中，然後返回對應的Class<org.luanlouis.jvm.load.Main>例項引用；

以上三步驟都成功，才表示classLoader.loadClass("org.luanlouis.jvm.load.Main")完成，上述操作完成後，JVM記憶體方法區的格局會如下所示：


如上圖所示：

  • JVM方法區的類資訊區是按照類載入器進行劃分的，每個類載入器會維護自己載入類資訊；
  • 某個類載入器在載入相應的類時，會相應地在JVM記憶體堆（Heap）中建立一個對應的Class<T>，用來表示訪問該類資訊的入口

Step 5. 使用Main類的main方法作為程式入口執行程式

Step 6. 方法執行完畢，JVM銷燬，釋放記憶體

三、類載入器有哪些？其組織結構是怎樣的？

             類載入器(Class Loader)：顧名思義，指的是可以載入類的工具。JVM自身定義了三個類載入器：引導類載入器(Bootstrap Class Loader)、拓展類載入器(Extension Class Loader )、應用載入器(Application Class Loader)。當然，我們有時候也會自己定義一些類載入器來滿足自身的需要。

            引導類載入器(Bootstrap Class Loader): 該類載入器使JVM使用C/C++底層程式碼實現的載入器，用以載入JVM執行時所需要的系統類，這些系統類在{JRE_HOME}/lib目錄下。由於類載入器是使用平臺相關的底層C/C++語言實現的， 所以該載入器不能被Java程式碼訪問到。但是，我們可以查詢某個類是否被引導類載入器載入過。我們經常使用的系統類如：java.lang.String,java.lang.Object,java.lang*....... 這些都被放在 {JRE_HOME}/lib/rt.jar包內， 當JVM系統啟動的時候，引導類載入器會將其載入到 JVM記憶體的方法區中。

           拓展類載入器(Extension Class Loader): 該載入器是用於載入 java 的拓展類 ，拓展類一般會放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目錄下，用來提供除了系統類之外的額外功能。拓展類載入器是是整個JVM載入器的Java程式碼可以訪問到的類載入器的最頂端，即是超級父載入器，拓展類載入器是沒有父類載入器的。

應用類載入器(Applocatoin Class Loader): 該類載入器是用於載入使用者程式碼，是使用者程式碼的入口。我經常執行指令 java   xxx.x.xxx.x.x.XClass , 實際上，JVM就是使用的AppClassLoader載入 xxx.x.xxx.x.x.XClass 類的。應用類載入器將拓展類載入器當成自己的父類載入器，當其嘗試載入類的時候，首先嚐試讓其父載入器-拓展類載入器載入；如果拓展類載入器載入成功，則直接返回載入結果Class<T> instance,載入失敗，則會詢問是否引導類載入器已經載入了該類；只有沒有載入的時候，應用類載入器才會嘗試自己載入。由於xxx.x.xxx.x.x.XClass是整個使用者程式碼的入口，在Java虛擬機器規範中，稱其為 初始類(Initial Class).

   
           使用者自定義類載入器（Customized Class Loader）：使用者可以自己定義類載入器來載入類。所有的類載入器都要繼承java.lang.ClassLoader類。

          

四、雙親載入模型的邏輯和底層程式碼實現是怎樣的？

            上面已經不厭其煩地講解什麼是雙親載入模型，以及其機制是什麼，這些東西都是可以通過底層程式碼檢視到的。

             我們也可以通過JDK原始碼看java.lang.ClassLoader的核心方法 loadClass()的實現：

    
    
    //提供class類的二進位制名稱表示，載入對應class，載入成功，則返回表示該類對應的Class<T> instance 例項
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }
 
    
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，檢查是否已經被當前的類載入器記載過了，如果已經被載入，直接返回對應的Class<T>例項
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
                //初次載入
                if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //如果有父類載入器，則先讓父類載入器載入
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        // 沒有父載入器，則檢視是否已經被引導類載入器載入，有則直接返回
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                // 父載入器載入失敗，並且沒有被引導類載入器載入，則嘗試該類載入器自己嘗試載入
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    // 自己嘗試載入
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            //是否解析類 
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

 相對應地，我們可以整理出雙親模型的工作流程圖：


相信讀者看過這張圖後會對雙親載入模型有了非常清晰的脈絡。當然，這是JDK自身預設的載入類的行為，我們可以通過繼承複寫該方法，改變其行為。

五、類載入器與Class<T>  例項的關係


六、執行緒上下文載入器

             Java 任何一段程式碼的執行，都有對應的執行緒上下文。如果我們在程式碼中，想看當前是哪一個執行緒在執行當前程式碼，我們經常是使用如下方法：

Thread  thread = Thread.currentThread();//返回對當當前執行執行緒的引用

相應地，我們可以為當前的執行緒指定類載入器。在上述的例子中， 當執行   java    org.luanlouis.jvm.load.Main  的時候，JVM會建立一個Main執行緒，而建立應用類載入器AppClassLoader的時候，會將AppClassLoader  設定成Main執行緒的上下文類載入器：

    public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }
		//將AppClassLoader設定成當前執行緒的上下文載入器
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
        //.......

    }

執行緒上下文類載入器是從執行緒的角度來看待類的載入，為每一個執行緒繫結一個類載入器，可以將類的載入從單純的 雙親載入模型解放出來，進而實現特定的載入需求。

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